工作面冲击地压治理研究与应用

陈为强++申晨

摘要： 冲击地压诱发因素较多，一般可以分为三类，即自然的、技术的和组织管理方面的因素，技术因素中主要是开采引起局部应力集中和采动压力大等。其主要原因是开采系统设计不合理或不完善，或在坚硬顶板条件下，开采导致较大的悬顶，造成较大的应力集中。

关键词：冲击地压；爆破；顶板；垮落

中图分类号：TD82-9 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）016-000-01

一、工作面基本情况

W1121工作面倾斜长度152m，可采走向长度1424m，采高3.2m，放煤厚度6.3m，可采面积216448㎡，工作面倾角平均14°，工作面回采率82%。B2煤层是稳定型的特厚煤层.

二、工作面冲击地压治理方案

W1121工作面为3号煤矿首采综放工作面， W1121工作面冲击地压防治措施将从顶板、煤层两方面进行治理，即顶板处理方案和煤层处理方案。顶板处理方案包括：高压水力定向致裂、超前深孔爆破；煤层处理方案包括：煤层注水、煤层深孔松动爆破、大直径空孔、煤体卸压爆破。

（一）顶板处理方案

1.超前深孔预裂爆破

（1）顶板处理高度的确定

W1121工作面采高按平均为Hc=9m，设顶板崩落厚度为Hx，岩石碎胀系数为ξ=1.4，为保证冒落顶板能完全充填采空区，根据公式计算的Hx=9/（1.4-1）=22.5m。

根据3号煤矿地质条件，B2煤层上部33m处为B3煤层，依据顶板处理高度的计算，为留有一定的富余系数，初步暂定W1121工作面顶板岩层处理范围为沿工作面顶板至上方25m的垂直高度。由于下部25m是垮落区存在一定的空隙，剩余的8m岩石在自然垮落后产生的压力，会得到有效的降解，不会产生较强的冲击危险性。

（2）爆破参数的确定

①炮孔直径

采用深孔爆破弱化顶板，一般炮孔直径在50mm～80mm。当炮孔直径较小时，装药比较困难，而且爆破影响范围与炮孔爆破直径成正比关系，炮孔孔径小爆破效果较差，但当炮孔直径太大时，封泥困难，会影响爆破效果。W1121工作面深孔爆破炮孔直径定为Φ75mm。

②组内炮孔间距

炸药爆炸后，从爆源向外依次形成压碎区、裂隙区和震动区。计算爆破作用下产生的裂隙区范围，可以确定合理的炮孔间距。

不耦合装药爆破，作用于孔壁上的径向应力峰值，根据初始冲击压力Pr显示，、D—分别为炸药密度和爆速：=1.27×103kg/m3，根据三级煤矿许用乳化炸药性能指标及规格，爆速≥2.8×103 m/s， 根据经验值爆速取值D=4400m/s；

dc、db—分别为炸药和炮孔直径，为Φ60mm和Φ75mm；n—爆生气体碰撞岩壁时产生的应力增大倍数，n=8～12，取12。

式中：岩石的泊松比v=0.2，抗拉强度σt=7.48MPa，三号乳化炸药密度=1.27g/cm3，衰减指数a=1.3。说明在炮眼直径为Φ75mm，药卷直径在Φ60mm的情况下，炸药爆炸后形成的裂隙区半径为3194mm，直径为6388mm。则组内炮眼间距取6000～7000mm。

根据上述顶板的力学参数和3号乳化炸药性能参数，计算结果为裂隙区直径大于7000mm。因此，在保证足够安全的情况下，同时使工作面顶板产生预裂，达到顶板无法出现应力集中的前提下，因此此次组炮间距定为12000mm。

③炮孔深度

炮孔深度主要由顶板的厚度、工作面长度、煤层倾角、孔底距离、孔口距离确定，确定方法是根据这些参数用做图法进行确定。而炮孔深度不能太深，如炮孔太长在装药中会增加很大的困难，且容易出现“卡孔”现象。

④封孔长度

柱状药包爆破时，煤岩体抗爆能力随炮孔深度增加而增加，而炸药爆煤岩能力与封孔长度和煤岩体抗爆强度有关。若封孔长度过短，抗爆能力降低，在爆炸时会产生抛掷漏斗影响爆破效果，特别是将破坏顺槽的稳定与支护。

根据一般情况考虑，深孔爆破时封孔长度应为孔深的25～30%，但考虑到爆破点距煤层顶板较近，容易造成架前漏顶事故，根据经验爆破点应控制在煤层顶板上方4m以上。

⑤炮眼采用ZDY-1000型全液压坑道钻机施工，钻头为Φ75mm合金钢钻头。

2.顶板超前预裂

煤层顶板是影响冲击地压发生的最重要因素之一。顶板爆破就是将顶板破断，降低其强度，释放因压力而聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动。在顶板弯曲下沉时，在条痕处形成拉应力而断裂。目前超前预裂爆破技术在我矿使用较成熟，在W1121工作面将继续使用该项技术处理顶板。

具体施工参数：

（1）设备及工具

钻机的型号：ZDY1000煤矿用全液压坑道钻机，钻机及配套钻杆。

（2）炮孔布置及参数

超前开切眼10m处起，每12m一组炮孔，炮眼布置垂直于巷道中心线，确保预爆破超前工作面80m。

（3）装药参数及结构

钻孔采用黄土和水泥锚固剂联合封孔。同组1#、2#、3#炮孔必须在全部施工完毕后再进行起爆，上、下顺槽炮严禁同时起爆，同组1#、2#、3#炮孔应采用孔内并联空外串联的爆破方式一次爆破。随工作面推进循环实施钻眼放炮工作。

（二）上、下端头超前预裂爆破

1.端头超前欲裂爆破原理

为确保工作面在正常回采期间满足顶板随采随冒，避免尾巷超长导致悬顶及时的释放顶板弹性能，因此对工作面上下端头顶板进行超前预裂爆破。

2.炮孔布置及施工

（1）炮孔布置

端头超前预裂孔分别布置在上顺槽靠上帮开始施工，下顺槽靠上帮开始施工。每组施工两个钻孔，孔深20m步距5m。

（2）钻机型号

钻机型号：ZDY1000煤矿用全液压坑道钻机，钻机及配套钻杆。

钻孔采用黄土和水泥锚固剂联合封孔。同组1#、2#炮孔必须在全部施工完毕后再进行起爆，上、下顺槽炮严禁同时起爆，同组1#、2#炮孔应采用孔内并联空外串联的爆破方式一次爆破。

三、效果

（一）顶板垮落效果检验

微震法。通过微震对顶板微震事件的定位和能量分析，确定采空区后覆岩活动和垮落特征。

钻孔窥视法。通过两个顺槽端头或工作面，施工采空区方向的钻孔，利用钻孔窥视仪进行观测顶板的垮冒情况。

（二）煤体冲击危险性解危效果

通过微震监测、电磁辐射监测、钻屑监测等进行评价。

参考文献：

[1]邢福康.煤矿支护手册[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[2]高延法等.矿山岩体力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.